H市图书馆空调系统设计

成明

中国中元国际工程有限公司 北京 100080

1 工程概况

南宁市图书馆是南宁市公共图书馆，坐落于南宁市五象新区，玉洞大道与玉象路交叉口的西南侧。总用地面积39891.05m2，项目总建筑面积36109.3m2，其中地上建筑面积26439.33m2，地下建筑面积9669.97m2。建筑高度36m，建筑层数地上7层，地下1层。南宁市图书馆藏书300万册，阅览座位约2500个。功能主要包括藏书区、借阅区、咨询服务区、公告活动辅助服务区、业务区、行政办公区、技术设备区、后勤保障区、其他功能用房等。

2 冷热源系统设计

本工程冷源采用离心冷水机组搭配风冷冷水机组“两大两小”的形式。选用两台离心式冷水机组，两台螺杆式风冷热泵机组。风冷机组采用热泵型可兼顾冬季局部区域的供热的需求，同时能够满足三层24小时运营区域所需的空调冷热负荷。

白天优先运行离心式冷水机组、夜间优先运行风冷机组。白天离心机组启动，如果末端负荷加大则开启一台风冷机组，如果继续加大开启另一台离心机组，风冷机组停止运行；负荷继续加大直到满负荷，再陆续开启风冷机组。夏季冷冻水供回水温度为7/12℃。冬季热水供回水温度为45/40℃。

3 阅览区高大空间空调系统设计

3.1 空调系统介绍

图书馆最核心的部分-文献阅览区设置在3层、4层及6层，其中4，5层及6,7层为高大贯通空间，以4,5层为例，阅览区南北长度90m，东西宽51.2m，高8.8m。设计时将东西分为两个区，共设置4台双风机组合式空调机组，风机配变频调速装置，气流组织采用上送+侧送下回的方式，侧送风风口采用喷口，上送风风口采用条形送风口。阅览区室内设计参数：夏季25℃，相对湿度55%。

3.2 空调夏季工况模拟计算分析

3.2.1 模型建立

4层阅览区南北对称，在数值模拟计算过程中，取北侧部分来进行模拟，以下模拟分析均以一半的模型为依据。4层阅览区北侧玻璃幕墙长90.2m，南北侧玻璃幕墙长18.65m，空间高度8.8m，南侧中间3.0m～4.7m处为5层局部楼板及吊顶空间。

空调系统设计风口数量及位置如下：屋顶共设置60个条形送风口，单个风口尺寸为200mm×800mm。中部吊顶区域设置41个球形喷口，喷口尺寸为Φ315。楼板底面设置6个回风口，风口尺寸为1500mm×1000mm；室内共布置26个书架，尺寸为450mm×7000mm×1800mm。布置17个小型书桌，尺寸为1800mm×900mm×800mm。布置8个大型书桌，尺寸为4500mm×1000mm×800mm；室内共设置14名阅读人员，并将人员简化为立方体的组合，每人高为1700mm，宽为600mm。

3.2.2 参数设置

该项目室外空调计算参数为：干球计算温度：34.5℃，相对湿度68%；室内设计参数：室内温度25℃，相对湿度55%。条形送风口送风速度为1.1m/s，送风温度为18℃；球形喷口送风速度为2.85m/s，送风温度为18℃；回风口风速为1.24m/s。由于模型的外围护结构中存在大面积的玻璃幕墙，为考虑太阳辐照对于室内热环境的影响，开启DO辐射模型及太阳追踪器，基于南宁的地理位置，选取上午10时作为模拟时刻。玻璃幕墙以混合边界条件考虑，内墙、吊顶、楼板及室内陈设以绝热边界考虑，人体设为定热流密度条件，材质参考普通布料物性参数。围护结构参数为：屋面传热系数：0.45W/（m2.K）,外墙传热系数0.5W/（m2.K），外窗传热系数2.0 W/（m2.K）。

3.2.3 模拟结果及分析

重点分析阅览区室内人员活动区域的热舒适情况（1.5m高度，图1），图1为阅览区温度分布平面图，可以看出，夏季工况室内1.5m高度处水平面温度比较均匀，基本保持在23℃～26℃，室内环境基本符合设计要求。图2为阅览区速度分布立面图。可以看出，室内速度场分布均匀，风口位置处流速较大，在风口附近的区域会产生不舒适的吹风感，降低了该区域的舒适性。

图1

根据CFD模拟得出的阅览区空调系统夏季室内温度场、速度场，针对速度场分布不均匀的问题，对风口的位置、数量、送风速度、送风角度进行了调整，使室内速度场分布趋于均匀，减少吹风感，提高阅览区的热舒适性，图3为调整后的室内速度场的分布图。

图3

4 中庭空调系统设计

中庭建筑会因为太阳辐射得热产生“温室效应”；同时中庭的竖向温差会造成上下热压差，使得热空气向上流动，形成上部空间热量堆积现象。由于受“温室效应”和上部空间热量堆积现象的影响比较显著，中庭建筑的室内热环境具有特殊性，在设计中如果不能很好地把握，会导致热舒适性差等问题，采用CFD软件对该建筑的中庭夏季热环境进行数值模拟分析比较，得出此类中庭空调的设计方法，为高大空间降低建筑物能耗、改善室内热舒适性、提高空气质量提供依据。

夏季中庭的室内设计温度均为25℃，且中庭高25.3m，因此夏季在“温室效应”和上部空间热量堆积的联合影响下，竖直方向温度分层十分明显，出现上热下冷的现象。为使上、下部分的热环境都能达到设计状态，必须采取一些措施。经过模拟计算分析，得出合理的设计方法为：将首层、2层作为一个整体空间；3层、4层作为一个整体空间；5层、6层作为一个整体空间，增大上部空间空调机组的负荷，降低下部空间空调机组的负荷；对于6层的高大中庭而言，首层、2层分别承担整体冷负荷的25%，3层，4层承担整体冷负荷的35%，5层，6层承担整体冷负荷的40%，同时中庭利用热气流上升在屋顶设置电动排风窗，以排除中庭顶部聚集的热量，在中庭顶部设置温度传感器，与电动天窗连锁，当中庭顶部聚集的空气温度超过29℃时，自动开启电动天窗排热；当中庭顶部温度下降到26℃时，电动天窗自动关闭。使各区域的温度基本满足设计要求。

5 总结

本项目冷热源采用“两大两小”的设置，根据末端负荷的变化，灵活运行，提高运行效率，从而达到节能的目的。

借用CFD数值模拟软件，对高大空间室内温度场和速度场进行模拟计算，能够有效地分析室内温度和气流组织分布规律，运用CFD模拟软件，采用调整不同区域负荷比例及通过机械排风的的方法，解决了该工程中庭温度，速度分布不均匀的问题，很好地为实际工程服务。

利用自然通风技术，降低建筑能耗，保证室内空气品质，提高人体舒适度。通过合理的设计，为图书馆室内营造一个健康、舒适的室内环境。

南宁市图书馆已投入运行，阅览区大空间、中庭夏季稳定在25℃，相对湿度55%，为广大读者提供了舒适的学习环境，受到了广泛的好评。